Модели и методы спецификаций и тестирования телекоммуникационных протоколов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Гойхман, Вадим Юрьевич

• Гойхман, Вадим Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гойхман, Вадим Юрьевич

Перечень сокращений.

Перечень обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Задачи спецификации интерфейсов телекоммуникационных сетей.

1.1. Эволюция систем сигнализации ТфОП/ISDN при переходе к NGN.

1.2. Формализованные методы спецификации телекоммуника-циионных протоколов.

1.3. Тестирование телекоммуникационных протоколов.

1.4. Состояние исследований и цель диссертационной работы.

Выводы главы 1.

ГЛАВА 2. Модель тестируемости SDL-спецификаций телекоммуникационных протоколов.

2.1. Общие принципы формализации SDL-спецификаций.

2.2. Тестируемость SDL-спецификаций.

2.3. Создание NF-EFSM на основе SDL-спецификаций.

2.4. Процедура расширения.

2.5. Алгоритм создания NF-EFSM для SDL-спецификации телекоммуникационного протокола.

2.6. Процедура развития автомата NF-EFSM.

Выводы главы 2.

ГЛАВА 3. Статистические модели испытаний телекоммуникационных протоколов.

3.1. Тестирование телекоммуникационных протоколов.

3.2. Элементарные статистические оценки процесса тестирования.

3.3. Выбор метода приближения

3.4. Выбор коэффициента доверия ос.

3.5. Выбор точности оценки г.

Выводы главы 3.

ГЛАВА 4. Численные оценки процессов тестирования

SDL-спецификаций.

4.1. Модели прогноза количества испытаний до первой ошибки на этапе оценивания вероятности потери вызова/сессии. Подэтап 1.1.

4.2. Модели прогноза количества испытаний до К-ой ошибки на этапе оценивания вероятности потери вызова/сессии. Подэтап 1.2.

4.3. Модели оценки количества испытаний на этапе уточнения вероятности потери вызова/сессии.

Этап 2 - общий объем испытаний.

4.4. Методика тестирования протокольных спецификаций.

Выводы главы 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и методы спецификаций и тестирования телекоммуникационных протоколов»

Актуальность исследований. Телекоммуникационные протоколы, как и методы их специфицирования и тестирования в сетях связи общего пользования, развивались вместе с развитием телекоммуникационной техники. На современном этапе, характеризующемся конвергенцией сетей с разными технологиями передачи информации и коммутации, стали использоваться новые телекоммуникационные протоколы, базирующиеся на принципах коммутации каналов в TDM-сетях (Time Division Multiplexing), на принципах коммутации пакетов, и в сетях следующего поколения NGN (Next Génération Network).

Соответствующим образом развиваются методы спецификаций и тестирования этих протоколов. Развитие связано со значительным усложнением логики и увеличением количества инфокоммуникационных технологий, сетей и услуг.

В силу сказанного стали актуальными задачи анализа и формализации SDL-спецификаций, минимизации числа значимых SDL-состояний, а также расчета вероятностно-временных характеристик (ВВХ) сертификационных испытаний этих протоколов и оптимизации числа таких испытаний.

Состояние вопроса. Начало исследований в этом направлении совпало по времени с появлением языка спецификаций и описания SDL (Spécification and Description Language) и поколения систем коммутации с программным управлением.

В рекомендациях Международного союза электросвязи (МСЭ) серии Z и в документах других стандартизующих организаций рассмотрены языки - методы спецификации и описания инфокоммуникационных протоколов, - однако они ориентированы на инженерное применение и не позволяют математически рассчитать ВВХ и статистическую достоверность результатов тестирования. Научные основания для такого расчёта содержатся в многочисленных работах по математической статистике, а также в исследованиях формальных спецификаций С.С. Бернштейна, Г.Л. Ионина, Б. Лискова и Д. Гатэга, Ч. Хоара и др.

В работах профессоров Б.С. Гольдштейна, Я.С.Дымарского, А.Н. Терехова, М.А. Шнепса-Шнеппе и целого ряда других авторов исследованы вопросы спецификаций программного обеспечения телекоммуникационных систем, но эти исследования не распространялись на минимизацию SDL-спецификаций и на статистические оценки тестирования протоколов и, естественно, не рассматривают математические модели процесса сертификационных испытаний.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в создании формализованной модели SDL-спецификаций телекоммуникационного протокола, допускающей выявление и минимизацию числа логически значимых состояний SDL-спецификации, в разработке стратегии этой минимизации, а также в получении формул для расчета статистических характеристик тестирования таких минимизированных формализованных протокольных спецификаций.

Такая цель определила необходимость решения следующих научных задач:

• разработать принципы и формализованную модель эффективной SDL-спецификации телекоммуникационного протокола;

• разработать механизмы и алгоритмы нормализации SDL-спецификаций, т.е. минимизации числа логически значимых состояний SDL-спецификации, исключающей несущественные и тупиковые ветви;

• построить математическую модель тестирования SDL-спецификаций;

• рассчитать статистические оценки процесса тестирования SDL-спецификаций телекоммуникационного протокола;

• применить полученные результаты к некоторым телекоммуникационным протоколам TDM- и NGN-сетей.

Методы исследования. Основным математическим аппаратом в работе являются математическая статистика и теория вероятностей, а также теория алгоритмов и математическая логика, с помощью которых формализуются и преобразуются SDL-спецификации инфокоммуника-ционных протоколов.

Научная новизна работы состоит в предмете исследования -протокольных спецификациях сетей NGN и TDM, в разработке математической модели SDL-процесса, в разработке достоверных оценок результатов тестирования, математической модели процесса тестирования и в разработке алгоритма оптимизации этого процесса.

Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором лично. В работах, выполненных в соавторстве, автору принадлежат математические модели и теоретические результаты.

Практическая ценность результатов работы. Теоретические исследования, выполненные в работе, доведены до инженерных решений.

Основные результаты работы использованы в ДО ЦНИИС и в контрактных работах с целым рядом отечественных и зарубежных телекоммуникационных компаний, в НТЦ «Протей» при заводских испытаниях оборудования мультисервисного абонентского концентратора (iMAK) с функциями медиа-шлюза и мультисервисного коммутатора доступа (МКД) класса Softswitch, а также в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича при организации учебного процесса.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных и общероссийских конференциях IEEE и НТОРЭС им. А.С, Попова, на ежегодных научнотехнических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ с 2002 по 2011 годы.

Публикации. По материалам диссертационной работы в научно-технических журналах и в трудах международных и всероссийских научных конференций опубликовано 19 печатных работ, включая четыре учебных пособия.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем пояснительной записки 157 страниц, 36 иллюстраций, список литературы насчитывает 58 наименований. В качестве приложений приведены громоздкие выкладки, которые доказывают справедливость ряда фундаментальных утверждений, составляющих основу двух самых сложных глав диссертационной работы (так сделано, чтобы не отвлекать внимание читателя от изложения сути этих глав), а также акты о внедрении результатов диссертации.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Гойхман, Вадим Юрьевич

Выводы главы 4

1. Традиционная методика тестирования телекоммуникационных протоколов имеет очевидные недостатки: требует проведения одноэтапного, фиксированного и весьма значительного (106) объема испытаний, не зависящего от качества испытуемого устройства (сетевого элемента), а обратная связь между процессом и объемом испытаний отсутствует. Для оценки результатов испытаний в методике привлекается неадекватный математический аппарат (используется точечное оценивание вероятности потери вызова без определения меры точности этой оценки).

2. Предлагаемая в диссертации методика концептуально и по эффективности превосходит традиционную методику: объем испытаний непосредственно коррелирован с характеристиками испытуемого сетевого элемента, определяется и корректируется в процессе испытаний. Для оценки результатов испытаний используется математико-статистический аппарат теории интервального оценивания, позволяющий судить о возможных границах (диапазонах) изменения определяемых характеристик качества испытуемой станции и степени доверия к полученным результатам, объем испытаний снижается в 0,5-11,6 раза, в среднем -в 5 раза.

3. Результаты исследований были применены для организации сертификационных испытаний в JIO ЦНИИС при выполнении ряда контрактов с фирмами-производителями, в Научно-техническом центре ПРОТЕЙ при заводских испытаниях оборудования NGN/IMS платформы iMAK, в СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в учебном процессе на базе учебно-исследовательской платформы СОТСБИ-У. Акты о внедрении представлены в Приложении 2 к диссертационной работе.

Заключение

Анализ развития средств спецификации и тестирования телекоммуникационных протоколов показывает, что переход к сетям следующего поколения NGN и возникновение мультисервисных конвергентных сетей связи привели к резкому усложнению телекоммуникационных протоколов и к увеличению затрат на их тестирование и на сертификацию реализующего эти протоколы телекоммуникационного оборудования. В диссертации установлены некоторые правила и методы разработки и преобразования спецификаций телекоммуникационных протоколов на языке SDL, минимизирующие число значимых SDL-состояний. Методы спецификаций инфокоммуникационных протоколов еще недостаточно исследованы, а существующие модели проектирования протокольных спецификаций очень многое не позволяют принять во внимание.

В диссертации разработаны математические модели сертификационных испытаний инфокоммуникационных протоколов, рассчитаны статистические оценки числа тестов в разных условиях. Определены ключевые вероятностно-временные характеристики процессов тестирования протоколов и выведены аналитические выражения для их расчета. Построена математическая модель процесса тестирования, разработаны алгоритмы оптимизации сроков и трудоемкости сертификационных испытаний.

Обнаружено, что для некоторого диапазона параметров весьма ограниченное число тестов может обеспечивать вполне достоверные оценки.

Отдельные результаты диссертационной работы и, в первую очередь, математические модели процесса тестирования проверены на базе результатов их внедрения. Результаты диссертационных исследований были применены для организации сертификационных испытаний в JIO ЦНИИС при выполнении ряда контрактов с фирмами-производителями, в Научно-техническом центре ПРОТЕЙ - при заводских испытаниях оборудования NGN/IMS платформы iMAK, в СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича - в учебном процессе на базе учебно-исследовательской платформы СОТСБИ-У, что подтверждено соответствующими актами и справками о внедрении, представленными в Приложении 2 к диссертационной работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гойхман, Вадим Юрьевич, 2011 год

1. Аваков P.A., Гольденберг Л.М., Игнатьев В.О. Электронные управляющие машины. - М.: Связь, 1979.

2. Агафонов В.Н. Спецификация программ: понятийные средства и их организация. Новосибирск: Наука, 1987.

3. Апостолова H.A., Гойхман В.Ю., Гольдштейн Б.С. Учрежденческие IP-PBX прообраз эволюции технологий в СТС. //Вестник связи. -2003. - №7. (в списке ВАК).

4. Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения). М.,1975

5. Бернштейн С.С. К анализу алгоритма АТС. Сб. трудов НИИТС, 1963.-№12.

6. Большее JI.H., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М„ 1983

7. Брауэр В. Введение в теорию конечных автоматов. М.: Радио и связь, 1987.

8. Васильев A.C., Гойхман В.Ю. Диверсификация городских АТС. //Технологии и средства связи. Специальный выпуск "АТС 2004: коммутационное оборудование". 2004.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М., 1969

10. Глушков В.М., Цейтлин Г.Е., Ющенко E.J1. Алгебра. Языки. Программирование 3-е изд., доп. - Киев: Наукова думка, 1989.

11. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М,. 2008

12. Гойхман В.Ю., Митошкин К.С. Организация мультисервисных сетей на основе программных коммутаторов. //Мир Lucent. 2001. - №9.

13. Гойхман В.Ю., Гольдштейн Б.С., Кисленко JI.C. Телекоммуникационный контент в Инфобанке СОТСБИ. //Вестник связи. 2002. - №9. (в списке ВАК)

14. Гойхман В.Ю., Гольдштейн Б.С., Дымарский Я.С., Сибирякова Н.Г. Сертификационные испытания коммуникационного оборудования. //Вестник Международной академии «Информация, связь, управление в технике, природе, обществе». 2002. - №4.

15. Гойхман В.Ю., Гольдштейн Б.С., Дымарский Я.С., Сибирякова Н.Г. Модели и методы оценки эффективности протокол-тестеров. //Вестник Международной академии «Информация, связь, управление в технике, природе, обществе». 2002. - №4.

16. Гойхман В.Ю. Учрежденческие АТС сегодняшнего и следующего поколения. //Технологии и средства связи. 2003. - №4

17. Гойхман В.Ю. Учрежденческие АТС: классификация, емкость, интерфейсы. Журнал "Технологии и средства связи". Специальный выпуск "АТС 2004: коммутационное оборудование". 2004.

18. Гойхман В.Ю., Гольдштейн А.Б. Мультисервисные абонентские концентраторы. //Технологии и средства связи. 2004. №1.

19. Гойхман В.Ю. Учрежденческие АТС эволюция технологий //Connect! Мир связи. - 2005. - №4

20. Гойхман В.Ю. Новая модель сертификации коммутационного оборудования. //Технологии и средства связи. Специальный выпуск "АТС. Коммутационное оборудование. Buyers' Guide 2006" 2006.

21. Гойхман В.Ю. Телефония для самых больших. Обзор решений крупных УПАТС для корпораций и ведомств. //Connect! Мир связи. -2006. -№11.

22. Гойхман В.Ю. Бизнес-коммуникации предприятия среднего бизнеса. //Connect! Мир связи. 2006. - №9.

23. Гольдштейн Б.С., Сибирякова Н.Г., Соколов A.B. Сигнализация R1.5. Справочник по телекоммуникационным протоколам. СПб.: БХВ -Санкт-Петербург, 2004.

24. Гольдштейн Б.С. Сигнализация в сетях связи. Том 1. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 2005.

25. Горяинов В.Б., Павлов И.В., Цветкова Г.М. и др. Математическая статистика. М., 2001

26. Градштейн И. С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М., 1963

27. Громов Ю.Ю., и др. Надёжность информационных систем. Тамбов, 2010

28. Ивченко Г.И., Медведев Ю.И. Введение в математическую статистику. М., 2010

29. Дисков Б., Гатэг Д. Использование абстракций и спецификаций при разработке программ. М.: Мир, 1989.

30. Типовая программа и типовые методики сертификационных испытаний городских АТС. М.: Минсвязи России, 1994

31. Уилкс С. Математическая статистика. М.: "Наука", 1967.

32. Успенский В.А., Семенов A.JI. Теория алгоритмов: основные открытия и приложения. М.: Наука, 1987.

33. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и её приложения, т. 1,2. -М.: "Мир", 1967.

34. Хаусхолдер A.C. Основы численного анализа. М., 1956

35. Хоар Ч. Взаимодействующие последовательные процессы. М.: Мир, 1989.

36. Шор Я.Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. М., 1962.

37. Янов Ю.И. О логических схемах алгоритмов. Сб. "Проблемы кибернетики" М.: Физматгиз, вып. 1, 1958.

38. CCITT Recommendation Z.100: Functional Specification and Description Language (SDL). 1988 Blue Book

39. CCITT Recommendation Z.100: SDL Basic graphical language 1976 Orange Book

40. IBM Rational Software Электронный ресурс. / International Business Machines Corp. Электрон, дан. - Нью-Йорк, США, [2011]. - Режим доступа: http://www-01.ibm.com/software/rational/ свободный.— Загл. с экрана.

41. ISO/IEC 8327-2, Information technology Open Systems Interconnection -Basic connection oriented session protocol specification - Part 2 : Protocol Implementation Conformance Statement (PICS) Proforma /Проформа PICS реализации протокола

42. ISO/IEC 10168-1, Information technology Open Systems Interconnection - Conformance Test Suite for the session protocol - Part 1: Test suite structure and test purposes /Структура тестового комплекта и тестовые цели

43. ISO/IEC 19501:2005(Е) Unified Modeling Language Specification Version 1.4.2 formal/05-04-01.

44. ITU-T: Specification and Description Language. Ree. Z.100. Geneva. -1992.

45. ITU-T. Specification and Description Language (SDL). Geneva, 2000. (Z.100 (11/99).)

46. ITU-T Recommendation X.215 (1994) | ISO/IEC 8326, Information technology Open Systems Interconnection - Basic connection-oriented session service definition /Определение сеансового сервиса

47. ITU-T Recommendation X.225 (1994) ISO/IEC 8327-1, Information technology Open Systems Interconnection - Connection-oriented session protocol: Protocol specification. /Спецификация протокола.

48. Kim Т.Н., I. S. Hwang, M. S. Jang, S. W. Kang, J. Y. Lee and S. B. Lee, Test Case Generation of a Protocol by a Fault Coverage Analysis. ICOIN-12., Tokyo, Japan. (1998).

49. Krogdahl, S. The birth of Simula HiNC III Conference in Trondheim. -2003.

50. Hailpern, B, Owicki, S. Modular Verification of Computer Communication Protocols // IEEE Transactions on Communications, Volume 31(1), January 1983, page(s): 56-68.

51. Harel D., Statechart: A visual formalism for complex systems. Science of computer programming, (8):231-274, 1987.

52. Newcombe R.G. Two-sided confidence intervals for the single proportion: comparison of seven methods. Statistics in medicine. 17, 857.872 (1998)

53. Sabnani, K. An algorithmic procedure for protocol verification. IEEE Trans. Commun. 36, 8 (Aug.) 1988.

54. Sabnani, A, Lapone, A. PAV-Protocol Analyzer and Verifier Protocol Specification, Testing and Verification, VI Edited by B. Sarikaya G.V. Bochmann Hardbound, 1987

55. Ural H., K. Saleh, and A. Williams, Test generation based on control and data dependencies within system specifications in SDL. Computer Communications, 23 (2000) 609-627.

56. Vollset S.E. Confidence intervals for a binomial proportion. Statistics in medicine. 12, 809-824 (1993).